Wszyscy jesteście puści

Podobno przeciętny człowiek w 70% złożony jest z wody. Mam dla was ciekawszą wiadomość: jakieś 99,999999999999% materii Waszych ciał – Waszych atomów – stanowi wyłącznie… próżnia.

Kiedy spoglądamy do encyklopedii lub podręcznika, widzimy wiele niedorzecznie małych (oraz niedorzecznie dużych) wielkości. I tak przebiegamy szybko wzrokiem po kolejnych liczbach zapisanych dla wygody z użyciem potęgi, często nie wyciągając żadnych szczególnych wniosków. Niby zdajemy sobie sprawę, że mowa o cholernie maleńkich drobinkach, w których dostrzeżeniu nie pomoże nam żadna lupa na świecie. Często jednak umyka nam fakt, iż rozpiętość skali w mikroświecie prezentuje się nie mniej spektakularnie, niż ta, z jaką mają do czynienia astronomowie i kosmologowie badający ogrom wszechświata.

Przykładowo, wielkość ludzkiej komórki jajowej wynosi mniej więcej 10^-4 m, podczas gdy wirus HIV jest przeszło tysiąc razy mniejszy, nie przekraczając 10^-7 m. Do obserwacji obu obiektów biolog będzie musiał dopomóc sobie odpowiednim instrumentem, jednak różnica wielkości jest w tym przypadku równie duża co zestawienie niewielkiej mieściny z powierzchnią całej Polski. W przypadku atomów i cząstek elementarnych rzecz ma się jeszcze ciekawiej!

Omówienie budowy atomu zasługuje na osobny tekst, ale podstawy kojarzy każdy kto ma za sobą szkolne lekcje chemii i fizyki. Mamy jądro zbudowane z protonów i neutronów oraz “okrążające” je elektrony. (W cudzysłowie, bowiem przez swoją falowo-cząstkową naturę, obraz elektronu wcale nie przypomina planety obiegającej Słońce). Możecie być natomiast pewni, że prawie żadna z podręcznikowych rycin nie oddaje skali wielkości subatomowych struktur. W imię uproszczenia, podobnie jak ma to miejsce przy szkicowaniu Układu Słonecznego, autorzy nie zaprzątają sobie głowy rzeczywistymi rozmiarami obiektów. Te jednak mają swoje fizyczne znaczenie, o czym przekonali się już pierwsi eksperymentatorzy.

Jądro atomu odkrył na początku ubiegłego stulecia Ernest Rutherford. Słynący z arogancji Nowozelandczyk zlecił swoim studentom (a była to ciekawa zbieranina, wśród której wyrosło kilka talentów) naświetlać cieniutki kawałek złotej folii promieniami alfa. Cząstki α to po prostu jądra złożone z dwóch protonów i dwóch neutronów. Rutherford o tym nie wiedział, ale znał charakterystykę promieniowania i chciał za jego pomocą zbadać strukturę ostrzeliwanej materii. Gdy tylko cząstka wpadała na atom, jej trajektoria ulegała niewielkiemu odchyleniu czemu towarzyszyła emisja światła. Jednak raz na jakieś osiem tysięcy bombardowań działo się coś dziwnego: cząstka α w ogóle nie przebijała się przez folię, lecz ulegała kompletnemu odbiciu. Zaskoczenie wynikało stąd, że stosowano promienie o naprawdę dużej energii, dlatego sam Rutherford porównał całe zdarzenie do odbicia pocisku artyleryjskiego od serwetki. Nie trzeba interesować się militariami aby wiedzieć, że coś takiego jest niemożliwe.

Eksperyment Ernesta Rutherforda

Eksperyment dowiódł, że pędzące z dużą prędkością cząstki, potrafiące bez większych kłopotów przedrzeć się przez chmurę elektronów (elektrony znano już od kilku lat), od czasu do czasu uderzają w jakąś naprawdę upartą przeszkodę. Teoretycy prędko obliczyli, że rozmiary tamy stojącej na drodze promieniowania, nie przekraczają jednej biliardowej metra (10^-15 m). To naprawdę bardzo, bardzo mała wielkość, zważywszy że gabaryty przeciętnego atomu jako całości wynoszą około 10^-10 m. Jeśli zatem uznawaliście same atomy za niezwykle małe, to pamiętajcie, iż jądro jest jeszcze sto tysięcy razy mniejsze! Jednocześnie, nie przeszkadza mu to kumulować 99,999% bilansu masy/energii atomu (elektron jest dziesiątki tysięcy razy mizerniejszy od protonu czy neutronu).

Bardziej rzeczywiste rozmiary atomu
Może nadal nie jest to idealny model, ale już znacznie bliższy rzeczywistości.

Dla przetrawienia i utrwalenia, przełóżmy to na wielkości makroskopowe. Gdybyśmy rozciągnęli jądro atomowe do średnicy piłeczki pingpongowej, od powłok elektronowych dzieliłby je dystans ponad pół kilometra. Natomiast gdyby jądro było rozmiarów Ziemi, to cały atom zajmowałby przestrzeń sięgającą orbity Jowisza. Cóż, może jednak ten planetarny model atomu nie jest taki zły jak go malują – o ile choć w przybliżeniu zachowamy skalę odległości.

Dysponując tą wiedzą już Rutherford wyciągnął ważną konkluzję: wszystkie cząstki elementarne – maleńkie nukleony i jeszcze mniejsze elektrony – zajmują znacznie mniej niż miliardową część objętości atomu. Otaczająca nas materia przypomina strukturą najtańsze, “pompowane” bułki z hipermarketu. Wyciskając z naszych ciał całą próżnię, uzyskalibyśmy gęstą grudkę rozmiarów ziarenka ryżu. Albo i mniejszą.

Inna sprawa, że wszechobecna próżnia nie jest po prostu zwykłą pustką i pełni w naturze bardzo istotne funkcje.

Człowiek, który wiedział wszystko – Thomas Young Ten cholerny monolit. 50 lat “Odysei kosmicznej 2001” Elektron i pozyton, czyli bliźniacy zagubieni w czasie